工频电磁场对智能电能表干扰仿真分析研究

（ 1． 江苏省电力公司电力科学研究院， 南京 211103 ； 2． 国家电网公司电能计量重点实验室 ， 南京 211103 ） 摘要： 文中根据工频电磁场对智能电表关键部分的干扰原理 ， 以工频电磁场作为干扰源， 运用有限元软件 ANSYS 的电磁场分析功能对工频磁场干扰智能电能表电源变压器 、 电压互感器和电流互感器进行了分析和研究 。 根据有限元分析思想， 建立了有限元分析模型， 并对模型进行了计算、 比较和分析， 根据有限元的计算结果和分 析结果提出了一些智能电表防电磁干扰的措施 。 关键词： 工频磁场； 智能电能表； ANSYS； 电压互感器； 电流互感器 中图分类号： TM933． 4 文献标识码： B 1390 （ 2015 ） 06001607 文章编号： 1001-
智能电能表采用电子集成电路来进行设计 ， 内 部主要由电源变压器、 电压互感器、 电流互感器、 电 能计量芯片和微控制器组成。 它起到连接用户和配 电中心的作用， 用户可以通过电能卡来和电能表内 部的智能存储单元之间进行数据的传输， 智能电表 再将信息及时报告给用户和配电双方， 一张电能卡 对应一个用户， 使电费的收取更加的简洁方便。 电 能表精度较高， 不易受环境等的影响， 性能好保证了 电能表的长期稳定工作
第 52 卷 第 6 期 2015 年 3 月 25 日
电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
Vol． 52 No． 6 Mar． 25 ， 2015
工频电磁场对智能电能表干扰仿真分析研究
1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 王忠东 ， 徐晴 ， 蔡奇新 ， 黄奇峰 刘建 ，
Vol． 52 No． 6 Mar． 25 ， 2015
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有限元分析国内研究尚不多， 文中主要利用 ANSYS 对电磁场干扰智能电表进行有限元分析， 根据仿真 结果提出相应的防电磁干扰的措施 。 1 1． 1 理论基础 智能电能表内部组成 智能电能表内部主要由硬件电路组成 ， 硬件电 路主要分为电源、 电压互感器、 电流互感器、 电能计 量芯片和微控制器以及一些外围电路 （ 液晶显示屏、 功能按键等 ） ， 电源用来给整个智能电表进行供电， 通常采用变压器来完成电压的转换； 电压互感器和 电流互感器用来对电压和电流进行采样， 将大电压 和大电流信号转换为测量仪器可以测量的小电压和 小电流信号， 将采样得到的电压和电流进行乘法运 算， 即可以得到瞬时的有功功率， 接着经过低通滤波 器模块即可以输出平均有功功率， 这些通常由电能 计量芯片来完成； 电能计量芯片计算的结果传送给 单片机进行存储和显示， 单片机控制液晶显示屏显 示电能、 费率等信息， 并且将用户的用电信息传送给 上位机， 以便配电中心工作人员及时掌握用户的用 电信息
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电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
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的磁通势 N1 I0 差不多相等， 即： N1 I 1 + N2 I 2 ≈ N1 I 0 由于铁 心 的 磁 导 率 很 高， 空 载 电 流 是 很 小 的。 与 N1 I1 相比， 常可忽略。于是得到： N1 I 1 ≈ － N2 I 2 即 I1 N2 1 = ≈ I2 N1 K 上式表明变压器原、 副边绕组的电流之比近似 等于它们的匝数比的倒数 （ 2 ） 电压互感器 电压互感器二次线圈匝数很少， 一般只有几匝， 一次线圈的匝数通常较多， 二次侧和电压表或其他 仪表相连。根据变压器的原理， 可以认为： E 1 N1 1 = = E 2 N2 K 式中 K 是电压互感器的变 换 系 数。 由 上 式 可 以 看 出， 利用电压互感器可以将大电压转换为小电压， 电 压表的读数乘以变换系数 K 即为被测的大电压。 （ 3 ） 电流互感器 电流互感器一次线圈匝数很少， 一般只有一匝 或几匝， 二次侧线圈匝数较多， 二次侧通常和电流表 等测量仪器相连， 用来进行小电流的测量。 根据变 压器的原理， 可以知道： I 1 N2 = =K I2 N1 利 式中 K 是电流互感器的变换系数。 由上式可知， 用电流互感器可以将大电流转换为小电流， 电流表 的读数乘以变换系数 K 即为被测的大电流。 2 2． 1 ANSYS 建模仿真 无干扰变压器模型建立 为了分析外界电磁场干扰对变压器等的影响， 采用 三维电磁场分析更加的直观。变压器、 电压互感器和电流 互感器线圈中的电流均为交流电， 产生的磁场是交变磁 场， 这类电磁场问题为谐波分析。为了分析二次线圈上电 压和电流随着负载变化的变化情况， 采用场路耦合方法来 建立模型。建模过程中采用 SOLID97 单元和 CIＲCU124 SOLID97 单元用来建立变压器模型部分， CIＲ单元耦合， CU124 用来建立电路部分［4 －5］。需要注意的是在电磁分 析中， 除了根据实际建立的模型外， 还要建立大的空气块 包裹住所有建好的实体。模型建立完毕后， 要给空气外围 节点施加磁矢势为 0 的边界条件， 达到和使用远场单元一 样的效果， 表明磁场到达空气边界已衰减为 0。 — 18 — 2． 2
Simulation analysis of electromagnetic interference on smart meters
2 2 2 2 2 Liu Jian1， ，Wang Zhongdong1， ，Xu Qing1， ，Cai Qixin1， ，Huang Qifeng1，
（ 1． Jiangsu Electric Power Company Ｒesearch Institute，Nanjing 211103 ，China． 2． State Grid Key Laboratory of Electric Energy Measurement ，Nanjing 211103 ，China） Abstract： In this paper，acording to the principle of electromagnetic interference on some key parts of the smart meter ，making power frequency electromagnetic field as the interference sources，the electromagnetic analysis function of finite element software ANSYS is used to analyze and research the power transformer ，voltage transformer and current transformer of the intelligent watthour meter disturbed by the power frequency magnetic field． Based on finite element analysis，finite element analysis model is established ，and calculation ，comparison and analysis are carried． According to the result of finite element calculation and analysis，some measures for preventing electromagnetic interference of smart meters are put forward． Keywords： power frequency electromagnetic field ， smart meter， ANSYS， voltage transformer， current transformer 0 引 言 能表进行干扰， 使电能计量装置不能准确计量甚至 不能工作。外界工频电磁场的部分磁场强度会影响 电流互感器和电压互感器的回路， 进而会在互感器 中感应出电势， 使读数不准确， 引起附加误差。 随着 技术的进步， 窃电方式更趋隐蔽、 先进， 电管人员依 据现有的检查工具， 往往难以识破通过电磁干扰技 术进行的窃电行为， 在国内， 针对电能计量装置的强 电磁干扰测试和防护还有很多空白的地方， 关于电 磁场对智 能 电 表 内 部 器 件 的 具 体 影 响 也 有 待 深 入 研究。 ANSYS 作为一款通用的有限元软件在实际中得 到很广泛的应用， 其应用范围十分广泛， 运用 ANSYS 进行变压器、 电压互感器和电流互感器的研究已经 很多， 但是关于外界电磁干扰对变压器等的影响的
［1 ］
。
针对智能电表的窃电手段不断翻新， 并呈 目前， 现高科技化、 隐蔽化、 数量大额化的趋势， 给国家带 来了严重的经济损失， 严重损坏了电力部门的利益， 扰乱了供用电秩序。 不法分子主要利用电磁场对电 — 16 —
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图1 Fig． 1 1． 2
智能电表硬件电路图
Smart meter hardware circuit diagram
电压互感器和电流互感器的工作原理 变压器、 变压器、 电压互感器和电流互感器的工作原理
类似， 都是基于法拉第电磁感应原理， 变压器可以将 大电压 （ 流 ） 转 换 为 小 电 压 （ 流 ） ， 也可以将小电压 （ 流） 转换为大电压 （ 流 ） ， 其一次侧线圈和二次侧线 圈匝数根据实际需要而定； 电压互感器通常是将大 电压信号转换为小电压信号， 所以电压互感器一次 侧线圈匝数一般大于二次侧线圈匝数， 并且电压互 感器二次侧通常是断开的， 用来接电压表等测量仪 表； 电流互感器则是用来将大电流转换为小电流， 所
［1 － 2 ］
以电流互感器的一次侧线圈匝数往往小于二次侧线 圈匝数， 并且电流互感器二次侧通常短路， 用来接电 流表等 测 量 仪 表。 下 面 对 它 们 的 原 理 分 别 加 以 叙述。 （ 1 ） 变压器 变压器一般由闭合铁心， 低压绕组， 高压绕组等 几个主要部分组成， 如图 2 所示。两绕组只有磁耦合 没电联系。 在一次绕组中加上交变电压， 产生交链 一、 二次绕组的交变磁通， 在两绕组中分别感应电动 e2 。 势 e1 、
图2 Fig． 2
变压器结构示意图
。智能电能表内部硬件框图如图 1 所示。
Transformer structure diagram
设一次侧所加电压为正弦交流电压， 这样在铁 心里将产生按正弦规律变化的主磁通 ， 设为： = m sinωt 则 e1 = － N 1 有效值为： E1 = 同理： e2 = E2m sin（ ωt － 90 ° ） E2 = 4 ． 44 f m N2 式中 N1 和 N2 分别为一次和二次线圈匝数； f 为所加 信号频率。 这样， 一次侧线圈电压和二次侧线圈电 压比为： N1 E1 = = K E2 N2 上式表 明 一 次 和 二 次 侧 电 压 比 和 匝 数 比 成 正 比， 改 变 匝 数 比， 就 能 改 变 输 出 电 压 。 由 U1 ≈ E 1 = 4. 44 f m N1 可知， 当电源电压 U1 和频率 f 不变时， E1 和 m 也都接近于常数。就是说， 铁心中主磁通的 最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的 。 因此， 有负载时产生主磁通的原副绕组的合成磁通 势（ N1 I1 + N2 I2 ） 应该和空载时产生主磁通的原绕组 — 17 — E1m 2 槡 = 2 πfN1 m 2 槡 = 4 ． 44 f m N1 d = E1m sin（ ωt － 90 ° ） dt